La composición del cemento de serie de silicato puede clasificarse en materias primas para producir clinker de cemento de silicato, yeso y materiales mezclados.

(1) Materiales de composición del clinker de cemento de la serie de silicato

El clinker de cemento de la serie de silicato se compone de materias primas de cal, materias primas de arcilla y polvo de mineral de hierro.

Las materias primas de cal son piedra caliza natural, toba y conchas, que aportan principalmente CaO al cemento; las materias primas de arcilla son principalmente arcilla (o esquisto, lodolita, limolita y lodo de río), cuyo componente principal es SiO₂, seguido de Al₂O₃ y una pequeña cantidad de FezO₃; el polvo de mineral de hierro es hematita, cuya composición química es Fe₂O₃, que compensa principalmente la falta de contenido de hierro en la arcilla. En las materias primas del cemento, el contenido de diversos componentes debe cumplir los siguientes requisitos.

CaO 62%~67%.

SiO₂ 20%~24%

Al₂O₃ 4%~7%

Fe₂O₃ 2,5%~6,0%.

(2) Yeso

Al producir cemento, debe añadirse una cantidad adecuada de yeso para retrasar el fraguado del cemento. En el cemento de silicato y el cemento de silicato ordinario, el yeso desempeña principalmente un papel retardador. En el cemento con una gran cantidad de materiales mezclados, el yeso también desempeña un papel estimulante de la actividad de los materiales mezclados. El yeso añadido al cemento es principalmente yeso natural sulfato de calcio anhidro.

(3) Materiales mezclados

Para mejorar el rendimiento del cemento, ajustar el grado de resistencia del cemento, aumentar la producción de cemento y ampliar la variedad de cemento, los diversos materiales minerales que deben añadirse durante la producción de cemento se denominan materiales mezclados. Los materiales mezclados pueden dividirse en dos categorías: materiales mezclados activos y materiales mezclados inactivos.

Los materiales mezclados activos se refieren a los materiales minerales con propiedades potenciales hidráulicas o de ceniza volcánica o ambas propiedades, de ceniza volcánica e hidráulicas. Las propiedades de las cenizas volcánicas se refieren a la propiedad de que un material, tras ser molido en polvo fino, no tiene propiedades hidráulicas por sí solo, pero puede formar un compuesto hidráulico tras ser mezclado con cal y agua a temperatura ambiente. Los tipos más comunes de materiales mixtos activos son la escoria granulada de alto horno, los materiales mixtos de cenizas volcánicas y las cenizas volantes. La escoria granulada de alto horno es una masa fundida cuyos componentes principales son el silicato y el aluminato de calcio. Tras el enfriamiento con agua y la granulación, su composición química es principalmente CaO, Al2O2 y SiO2, que representan más del 90% de la masa total. También contiene una pequeña cantidad de MgO, Fe2O2 y algunos sulfuros. Cuando se enfría y granula, la escoria forma un cuerpo vítreo inestable y tiene propiedades hidráulicas potenciales. La escoria enfriada lentamente no es hidráulica.

Los materiales mixtos de ceniza volcánica se refieren a materiales minerales naturales o artificiales con características de ceniza volcánica. Pueden dividirse en tres categorías:

·hydrous materiales silicatados (tierra de diatomeas, diatomita)

·burnt materiales arcillosos (arcilla quemada, escoria de carbón, cenizas volantes)

·volcanic materiales de ceniza (ceniza volcánica, toba)

Las cenizas volantes son un residuo industrial procedente de las centrales térmicas. Se trata de un residuo de grano fino procedente de las calderas de carbón. Se compone principalmente de SiO₂ y Al₂O₃, contiene una pequeña cantidad de CaO y tiene las características de las cenizas volcánicas.

Los materiales mixtos inactivos se refieren a materiales mixtos que no tienen dureza hidráulica potencial o cuyo índice de actividad de calidad no puede cumplir los requisitos especificados. Las variedades más comunes son la escoria enfriada lentamente, la arena de cuarzo molida y la caliza en polvo. Este tipo de material mezclado se añade al cemento principalmente para desempeñar un papel de relleno, lo que puede aumentar la producción de cemento, reducir el calor de hidratación y el grado de resistencia, y tener poco efecto sobre otras propiedades del cemento.

(4) Composición mineral y requisitos de rendimiento del clínker de cemento de silicato  

El clínker de cemento de serie de silicato es un material cementante hidráulico cuyo principal componente mineral es el silicato de calcio. Se obtiene moliendo materias primas que contienen principalmente CaO, SiO₂, Al₂O₃, y Fe₂O₃ en polvo fino de acuerdo con las proporciones adecuadas y quemándolo hasta que se funde parcialmente.

De acuerdo con sus principales características y usos, el clinker de cemento de silicato puede dividirse en uso general, resistencia media a los sulfatos, calor medio de hidratación y alta resistencia a los sulfatos.

Las normas de calidad del clínker de cemento de silicato son estrictas, lo que garantiza su fiabilidad y rendimiento. El tiempo de fraguado no debe ser anterior a 45min, y el fraguado final no debe ser posterior a 6,5h. La estabilidad se comprueba y califica mediante el método de ebullición. La resistencia a la compresión debe cumplir o superar los requisitos de la tabla 2-11. Es importante destacar que todos los tipos de clínker de cemento de silicato tienen estrictamente prohibido contener cualquier materia extraña, lo que garantiza su pureza y consistencia.

Coagulación y endurecimiento del cemento de silicato

Después de añadir una cantidad adecuada de agua a la pasta de cemento, debido a sus propios cambios físicos y químicos, se volverá gradualmente más espesa y perderá plasticidad, pero aún no tiene resistencia. Este proceso se llama «coagulación» del cemento. A medida que pasa el tiempo, su resistencia sigue desarrollándose y aumentando, convirtiéndose gradualmente en una sustancia dura parecida a la piedra: la piedra de cemento. Este proceso se llama «endurecimiento» del cemento. La coagulación y el endurecimiento del cemento son procesos de cambio físico y químico continuos y complejos que no pueden separarse.

(1) Hidratación del cemento de silicato

Al añadir agua al cemento, se produce una reacción dinámica. Los minerales de clinker del cemento reaccionan rápidamente con el agua, un proceso conocido como hidratación e hidrólisis. Esta reacción no sólo es transformadora, sino también dinámica, ya que genera una serie de nuevos compuestos y libera una cantidad significativa de calor. La reacción se desarrolla de la siguiente manera

2(3CaO-SiO₂)+6H₂O=-3CaO-2SiO₂-3H₂O+3Ca(OH)₂

2(2CaO-SiO₂)+4H₂O=3CaO-2SiO₂ -3H₂O+Ca(OH)₂

3CaO-Al₂O₃+6H₂O==3CaO-Al₂O₃-6H₂O

4CaO-Al₂O₃-Fe₂O₃+7H₂O    

3CaO-Al₂O₃-6H₂O+CaO-Fe₂O₃-H₂O

3CaO-Al₂O₃-6H₂O+3(CaSO₄-2H₂O)+19H₂O

3CaO-Al₂O₃-3CaSO₄-31H₂O

En resumen, después de que el cemento de silicato reaccione con el agua, los principales hidratos son silicato hidratado, gel de ferrita de calcio hidratado, hidróxido de calcio, aluminato de calcio hidratado y cristales de sulfoaluminato de calcio hidratados. Estos productos de hidratación determinan una serie de propiedades de la pasta de cemento.

(2) El proceso de fraguado y endurecimiento del cemento de silicato

Cuando el cemento se mezcla con agua, se produce inmediatamente una reacción de hidratación en la superficie de las partículas de cemento. Esta reacción es crucial ya que inicia el proceso. Los productos de la hidratación se disuelven en agua, un medio clave para la reacción. A continuación, las partículas de cemento exponen una nueva capa de superficie y continúan reaccionando con el agua, de modo que la solución alrededor de las partículas de cemento se convierte rápidamente en una solución saturada de productos de hidratación. Esta saturación es un punto importante del proceso. Una vez que la solución ha alcanzado la saturación, los productos generados por la continua hidratación del cemento ya no pueden disolverse, y muchas partículas finas dispersas precipitan formando un gel. Esta formación de gel es un paso crítico. A medida que continúa la reacción de hidratación, las nuevas partículas coloidales siguen aumentando, y el agua libre sigue disminuyendo, haciendo que el gel se espese gradualmente y que la pasta de cemento pierda gradualmente su plasticidad, es decir, se produce la coagulación. Esta coagulación es un cambio importante en el proceso. Después, el hidróxido de calcio y el aluminato de calcio hidratado en el gel se convertirán gradualmente en cristales, atravesarán el gel y se combinarán estrechamente para formar una pasta de cemento con cierta resistencia. Esta formación de cristales es un avance significativo. A medida que el tiempo de endurecimiento continúa, la parte no hidratada dentro de las partículas de cemento continuará hidratándose, de modo que los cristales aumentan gradualmente, el gel se vuelve gradualmente denso, y la pasta de cemento tiene un poder de unión y una resistencia cada vez mayores. Este aumento de la resistencia es un resultado clave. Además, cuando el cemento se solidifica y endurece en el aire, el hidróxido de calcio formado por la hidratación de su superficie reacciona con el dióxido de carbono del aire para formar una fina capa de carbonato de calcio (CaCO₃), lo que se denomina carbonatación.

Del proceso anterior se desprende que la reacción de hidratación del cemento penetra gradualmente desde la superficie de las partículas hasta la capa interior. Comienza más rápidamente. Más tarde, debido a la formación de una película de gel en la superficie de las partículas de cemento, al agua le resulta cada vez más difícil penetrar, y la hidratación se hace cada vez más lenta. La práctica ha demostrado que se necesitan varios años o incluso décadas para completar todo el proceso de hidratación e hidrólisis del cemento. Se trata de un plazo de tiempo considerable. Generalmente, el cemento se hidrata e hidroliza rápidamente en los primeros 3 a 7 días, por lo que su resistencia aumenta más rápidamente. Esta es la fase inicial rápida. La parte básica de este proceso puede completarse en 28 días. Este es el primer mes. A partir de entonces, el proceso se ralentiza considerablemente y el aumento de la resistencia también es extremadamente lento. Es la fase lenta a largo plazo.

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